海上采油平臺鉆修井機井控設備動力可靠性分析

王佳中

(中海油天津分公司渤中作業公司 天津300451)

0 引 言

在正常生產期間采油平臺鉆修井作業主要依靠鉆修井機或鉆井船2種裝備，而鉆修井機在場地、設備配置方面受到的限制較多，且受到采油平臺自動控制系統的影響。井控工作由易到難分為三級，一級井控井下壓力處于平衡狀態，此時井況安全可控；二級井控時井底壓力小于地層壓力，需要按照正確的程序操作井控設備逐漸使井底壓力恢復平衡狀態，是井控工作的重點和核心內容；三級井控是指井噴失控后的搶險過程。井噴失控是石油行業中重大事故之一，提高井控設備的可靠性具有重要意義。本文從鉆修井機相關系統動力保障角度探討二級井控、采油平臺自動控制系統導致失電條件下井控設備動力的可靠性，并總結該分析方法的一般步驟。

1 海上鉆修井機系統

海上平臺鉆修機一般包括鋼架結構、起升系統、回轉系統、配電照明系統、通訊系統、安全系統以及防噴器系統、泥漿循環系統等，后兩者通常合稱井控系統。正常工況條件下修井機各系統相互配合使作業井處于一級井控狀態，二級井控時修井機大部分系統參與井下壓力異常處理，起升系統、防噴器組、泥漿系統直接執行關井和泥漿循環兩個井控步驟。

1.1 采油平臺、修井機動力可靠性

系統內動力設備數量越多、種類越多、傳遞鏈條越短，其可靠性就越高，根據動力對其他系統的依賴關系由弱到強、傳遞鏈條從短到長，可分為獨立、半獨立和依附性動力，三者可靠性相對漸次降低。

渤海某采油井口平臺配置有HXJ135型修井機，正常電源為中心平臺動力發電站，途經相互串聯的3座上游采油平臺，應急電源為1臺500kW柴油應急發電機，在主電源失電后的45s內應急發電機自動啟動，并向應急負荷連續供電至少18h。采油平臺同時配備20kVA不間斷電源系統為通信、火災探測及儀表控制等關鍵系統供電至少0.5h，且正常、應急電源都可為其充電[1]。HXJ135型修井機動力擁有3臺柴油發動機和1組N2蓄能器，其余動力為采油平臺配電系統和壓縮空氣[2]。

對于采油平臺和修井機，外供電源為依附性，柴油應急機/發動機為半獨立，只有N2蓄能器和不間斷電源為獨立性動力；采油平臺空壓機和柴油泵都分別在正常和應急電源接線，動力可靠性較高；鉆修井機的防噴器控制系統擁有3種不同的動力源：2臺應急電源供電液壓泵、2臺壓縮空氣動力氣動泵，以及1套N2蓄能器，因此其動力可靠性最高，如圖1所示。

圖1 采油平臺、修井機系統動力簡圖Fig.1 Power sketch of the oil-production platform and the HXJ135

1.2 修井機起升系統重要性分析

二級井控可細化為12種二級溢流、井涌場景下硬關井動作，其中11種需起下鉆動作配合[3-4]，參見表1。軟關井與硬關井前期關井動作類似，只是泥漿循環系統介入時間早，下文不再分別贅述。起下鉆動作可為防噴器的可靠關閉創造有利條件，而防噴器完全關閉又可為后續壓井爭取時間，是二級井控的關鍵環節，因此井控工況下起升系統應受到重視。

1.3 起升系統組成及動力源

修井機起升系統主要由柴油發動機、液力變速箱、主絞車及其電動液壓盤剎車、空氣輔助剎車以及液壓系統組成[2]。2臺柴油發動機為液壓系統與主絞車系統提供主動力，壓縮空氣是本系統設備控制/輔助系統的動力，平臺雙電源空壓機和2臺柴油機帶空壓機共同供氣，可靠性高；1臺柴油泵和液壓盤式剎車的兩臺電動液壓泵僅由正常電源供電，前者為修井日用油罐供油，后者是起下工具、管柱后將其保持在合適位置繼而關閉防噴器的必要設備。上述3臺重要輔助設備動力保障相對薄弱，如圖2所示。

2 采油平臺自動控制系統對修井機井控系統動力的影響

平臺自動控制系統分為電力分級卸載系統、ESD關斷系統和火氣探測系統，其中本平臺、上游平臺以及中心平臺火氣探測系統引起的二級關斷和中心平臺動力故障，隨報警所在設施、區域的不同和各平臺卸載分配的差異會導致不同的設備關停、平臺局部或全部失電，而全部失電對修井機系統有較大的影響。上游平臺和本平臺主變壓器間、本平臺主配電間火災會關停正常電源，所在應急配電間火災會導致應急配電盤失電，因此將重要設備分別用正常電和應急電供電是應對多種惡劣工況同時發生的最佳組合。采油平臺的四級關斷可能會對柴油泵、空壓機造成短暫影響，電力分級卸載和除失電引起的其他三級關斷一般不涉及關鍵設備，對修井機不造成持續影響；一級關斷是棄平臺關斷，所有作業停止、人員30min內撤離[1]。

表1 二級井控硬關井前動作/鉆修井機系統對照表Tab.1 Table of the drill/work-over rig system and steps before the BOP shut of rank II well control

圖2 修井機起升系統動力源簡圖Fig.2 Power sketch of the hoisting system of the HXJ135C

3 建 議

修井機柴油泵、起升系統主剎車系統和2臺液壓泵宜采用正常、應急雙電源供電；防噴器控制系統2臺液壓泵分別由正常和應急電源供電，儀控系統采用應急電源或單獨配置不間斷電源供電。

各關聯平臺自動控制系統的關斷范圍應精細分析，在安全的前提下應減縮配電系統的關停范圍[5]。

4 結 論

動力可靠性分析方法可應用于提升復雜機電自動控制系統的安全性，主要步驟總結如下：

①建立系統工況與設備/分系統對應關系，評定重要設備。

②從設備和輔助/控制動力源頭沿傳遞路徑繪制系統動力圖，剖析自動控制系統對動力的影響。

③篩選重要設備關鍵動力鏈環，在技術經濟約束條件下通過動力數量或種類冗余、規劃設備布置和管線電纜路由、選擇適宜的設備和材料來提高整個系統的可靠性[6]。